[导读]一、前言这篇文章来聊聊大名鼎鼎的GDB,它的豪门背景咱就不提了,和它的兄弟GCC一样是含着金钥匙出生的,在GNU的家族中的地位不可撼动。相信每位嵌入式开发工程师都使用过gdb来调试程序,如果你说没有用过,那只能说明你的开发经历还不够坎坷,还需要继续被BUG吊打。我们都知道,在使用...
一、前言
这篇文章来聊聊大名鼎鼎的GDB,它的豪门背景咱就不提了,和它的兄弟GCC一样是含着金钥匙出生的,在GNU的家族中的地位不可撼动。相信每位嵌入式开发工程师都使用过gdb来调试程序,如果你说没有用过,那只能说明你的开发经历还不够坎坷,还需要继续被 BUG吊打。
我们都知道,在使用gcc编译时,可以使用-g选项在可执行文件中嵌入更多的调试信息,那么具体嵌入了哪些调试信息?这些调试信息是如何与二进制的指令之间进行相互交互?在调试的时候,调试信息中是如何获取函数调用栈中的上下文信息?
针对上面这些疑惑,道哥用两篇文章把这些底层最深处的问题彻底描述清楚,让你一次看过瘾。
第一篇文章,就是当前这一篇,主要内容是介绍GDB的底层调试原理,我们来看一下GDB是通过什么机制来控制被调试程序的执行顺序。
第二篇文章,我们选择一个体积小巧、五脏俱全的LUA语言来进行剖析,从源代码分析到函数调用栈,从指令集到调试库的修改,一网打尽。
内容比较多,看完本文需要的时间可能长一些,为了您的健康,不建议在处于蹲姿的时候阅读这篇文章。
二、GDB调试模型
GDB调试包括2个程序:gdb程序和被调试程序。根据这2个程序是否运行在同一台电脑中,可以把GDB的调试模型分为2种:
-
本地调试
-
远程调试
本地调试:调试程序和被调试程序运行在同一台电脑中。
远程调试:调试程序运行在一台电脑中,被调试程序运行在另一台电脑中。
关于可视化调试程序并不是重点,它只是一个用来封装GDB的外壳而已。我们既可以用黑乎乎的终端窗口来手动输入调试命令;也可以选择集成开发环境(IDE),这个IDE中已经嵌入了器调试,这样就可以使用各种button来代替手动输入调试命令了。
与本地调试相比,远程调试中多了一个GdbServer程序,它和目标程序都是运行在目标机中,可能是一台x86电脑或者是一个ARM板子。图中的红线表示GDB与GdbServer之间通过网络或者串口进行通讯。既然是通讯,那么肯定需要一套通讯协议:RSP协议,全称是:GDB Remote Serial Protocol(GDB远程通信协议)。
关于通讯协议的具体格式和内容,我们不需要关心,只需要知道:它们都是字符串,有固定的开始字符('$')和结束字符('#'),最后还有两个十六进制的ASCII字符作为校验和,了解这么多就足够了。至于更多的细节,如果实在闲的XX可以瞄几眼,其实这些协议,就像社会中各种奇葩的规定一样,都是一帮砖家在厕所里想出来的。
在第二篇讲解LUA的文章中,我们会实现一个类似的远程调试原型。其中的通信协议也是字符串,直接把 HTTP 协议进行简化之后就拿过来使用了,十分清晰、方便。
三、GDB调试指令
为了完整性,这里把部分GDB调试指令贴一下,有感性认识即可。
另外,这里没有列举所有的指令,列出的指令都是常用的,比较容易理解。在讲解LUA的时候,我们会选择其中的某些指令进行详细的对比,包括底层的实现机制。
每一个调试指令都有很多的命令选项,例如断点相关的就包括:设置断点、删除断点、条件断点、临时停用启用等等。这篇文章的重点是理解gdb底层的调试机制,所以应用层的这些指令的使用方法就不再列出了,网络上的资源很多。
四、GDB与被调试程序之间的关系
为了方便描述,先写一个最最简单的C程序:
#include
int main(int argc, char *argv[]){ int a = 1; int b = 2; int c = a b; printf("c = %d \n", c); return 0;}
编译命令:
$ gcc -g test.c -o test
我们对可执行程序 test 进行调试,输入命令:
$ gdb ./test
输出如下:
在最后一行可以看到光标在闪烁,这是gdb程序在等着我们给它下达调试命令呢。
当上面这个黑乎乎的终端窗口在执行gdb ./test的时候,在操作系统里发生了很多复杂的事情:
系统首先会启动gdb进程,这个进程会调用系统函数fork()来创建一个子进程,这个子进程做两件事情:
-
调用系统函数ptrace(PTRACE_TRACEME,[其他参数]);
-
通过execc来加载、执行可执行程序test,那么test程序就在这个子进程中开始执行了。
补充一点:文中有时称之程序,有时称之进程。“程序”描述的是一个静态的概念,就是一堆数据躺着硬盘上,而“进程”描述的是动态的过程,是这个程序被读取、加载到内存上之后,在操作系统中有一个任务控制块(一个数据结构),专门用来管理这个进程的。
铺垫了半天,终于轮到主角登场了,那就是系统调用函数ptrace(其中的参数后面会解释),正是在它的帮助下,gdb才拥有了强大的调试能力。函数原型是:
#include long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data); 我们先来看一下 man 中对这个函数的简介:
tracer就是调试程序,可以理解为gdb程序;tracee就是被调试程序,对应于图中的目标程序test。一般喜欢用-er和-ee来表示主动和被动的关系,例如:employer就是雇主(老板),employee就是苦逼的被雇佣者(打工人)。
ptrace系统函数是Linux内核提供的一个用于进程跟踪的系统调用,通过它,一个进程(gdb)可以读写另外一个进程(test)的指令空间、数据空间、堆栈和寄存器的值。而且gdb进程接管了test进程的所有信号,也就是说系统向test进程发送的所有信号,都被gdb进程接收到,这样一来,test进程的执行就被gdb控制了,从而达到调试的目的。
也就是说,如果没有gdb调试,操作系统与目标进程之间是直接交互的;如果使用gdb来调试程序,那么操作系统发送给目标进程的信号就会被gdb截获,gdb根据信号的属性来决定:在继续运行目标程序时是否把当前截获的信号转交给目标程序,如此一来,目标程序就在gdb发来的信号指挥下进行相应的动作。
五、GDB如何调试已经执行的服务进程
是否有小伙伴会提出这样一个疑问:上面被调试的程序test是从头开始执行的,是否可以用gdb来调试一个已经处于执行中的服务进程呢?答曰:可以。这就涉及到ptrace系统函数的第一个参数了,这个参数是一个枚举类型的值,其中重要的是2个:PTRACE_TRACEME和PTRACE_ATTACH<。
在上面的讲解中,子进程在调用ptrace系统函数时使用的参数是PTRACE_TRACEME,注意橙色文字:是子进程调用ptrace,相当于子进程对操作系统说:gdb进程是我的爸爸,以后你有任何想发给我的信号,请直接发给gdb进程吧!
如果想对一个已经执行的进程B进行调试,那么就要在gdb这个父进程中调用ptrace(PTRACE_ATTACH,[其他参数]),此时,gdb进程会attach(绑定)到已经执行的进程B,gdb把进程B收养成为自己的子进程,而子进程B的行为等同于它进行了一次 PTRACE_TRACEME操作。此时gdb进程会发送SIGSTO信号给子进程B,子进程B接收到SIGSTOP信号后,就会暂停执行进入TASK_STOPED状态,表示自己准备好被调试了。
所以,不论是调试一个新程序,还是调试一个已经处于执行中状态的服务程序,通过ptrace系统调用,最终的结果都是:gdb程序是父进程,被调试程序是子进程,子进程的所有信号都被父进程gdb来接管,并且父进程gdb可查看、修改子进程的内部信息,包括:堆栈、寄存器等。
关于绑定,有几个限制需要了解一下:不予许自我绑定,不允许多次绑定到同一个进程,不允许绑定1号进程。
六、偷窥GDB如何实现断点指令
大道理已经讲完了,这里我们通过设置断点(break)这个调试指令,来偷窥一下 gdb 内部的调试机制。还是以上面的代码为例子,这里再重新贴一下代码:
#include
int main(int argc, char *argv[]){ int a = 1; int b = 2; int c = a b; printf("c = %d \n", c); return 0;}
来看一下编译出来的反汇编代码是什么样的,编译指令:
gcc -S test.c; cat test.S)
这里只贴了一部分反汇编代码,只要能说明底层的原理就达到我们的目的了。
上面说到,在执行gdb ./test之后,gdb就会fork出一个子进程,这个子进程首先调用ptrace然后执test程序,这样就准备好调试环境了。
我们把源码和汇编代码放在一起,方便理解:
在调试窗口输入设置断点指令“break 5”,此时gdb做2件事情:
-
对第5行源码所对应的第10行汇编代码存储到断点链表中。
-
在汇编代码的第10行,插入中断指令INT3,也就是说:汇编代码中的第10行被替换为INT3。
然后,在调试窗口继续输入执行指令“run”(一直执行,直到遇到断点就暂停),汇编代码中PC指针(一个内部指针,指向即将执行的那行代码)执行第10行时,发现是INT3指令,于是操作系统就发送一个SIGTRAP信号给test进程。
此刻,第10行汇编代码被执行过了,PC指针就指向第11行了。
上面已经说过,操作系统发给test的任何信号,都被gdb接管了,也就是说gdb会首先接收到这SIGTRAP个信号,gdb发现当前汇编代码执行的是第10行,于是到断点链表中查找,发现链表中存储了第10行的代码,说明第10行被设置了断点。于是gdb又做了2个操作:
-
把汇编代码中的第10行"INT3"替换为断点链表中原来的代码。
2.
把 PC 指针回退一步,也即是设置为指向第10 行。
然后,gdb继续等待用户的调试指令。
此刻,就相当于下一条执行的指令是汇编代码中的第10行,也就是源码中的第5行。从我们调试者角度看,就是被调试程序在第5行断点处暂停了下来,此时我们可以继续输入其他调试指令来debug,比如:查看变量值、查看堆栈信息、修改局部变量的值等等。
七、偷窥GDB如何实现单步指令next
还是以刚才的源代码和汇编代码为例,假设此时程序停止在源码的第6行,即汇编代码的第11行:
在调试窗口输入单步执行指令next,我们的目的是执行一行代码,也就是把源码中第6行代码执行完,然后停止在第7行。gdb在接收到next执行时,会计算出第7行源码,应该对应到汇编代码的第14行,于是gdb就控制汇编代码中的PC指针一直执行,直到第13行执行结束,也就是PC指向第14行时,就停止下来,然后继续等待用户输入调试指令。
八、总结
通过break和next这2个调试指令,我们已经明白了gdb中是如何处理调试指令。当然,gdb中的调试指令还有很多,包括更复杂的获取堆栈信息、修改变量的值等等,有兴趣的小伙伴可以继续深入跟踪。
后面我在写LUA语言中的调试库时,会更深入、详细的讨论这个问题,毕竟LUA语言更小巧、简单。我也会把LUA代码中如何设置PC指针的代码部分给小伙伴演示一下,这样我们对于一门编程语言的内部实现就会有更好的理解和掌握,也可能会录制一个视频,这样就能更好的讲解LUA语言中的内部细节。
- EOF -
本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
昆山2023年9月15日 /美通社/ -- 万豪旅享家旗下31个非凡品牌之一的万枫酒店今日宣布,昆山万枫酒店盛大开业。昆山市是首批"国家生态园林城市",旅游资源丰富,素有"百戏之祖,昆曲之乡...
关键字:
液晶电视
灯光
调试
高铁
覆盖华东、华北和西部的三大客户创新与应用中心在两年内相继开业 以客户为中心的本地化战略迎来重要里程碑 成都2023年9月7日 /美通社/ -- 生命科学集团赛多利斯持续扩张在华足迹,并于今日正式启用西部区...
关键字:
质量检测
仪器
生物技术
调试
妇科大咖云集 共话日间诊疗新模式 北京2023年3月7日 /美通社/ -- 为进一步推广由郎景和院士牵头,朱兰教授等我国多位著名妇科医学专家共同编著《日间宫腔镜手术中心设置及管理流程中国专家共识》,普及日间宫腔镜诊疗理...
关键字:
东风
内窥镜
编写
调试
在完成应用系统的硬件组装和软件设计以后,便进入系统调试阶段。这个阶段的任务是排除样机中的硬件故 障和纠正软件中的设计错误,并解 决硬件和软件之间的不协调问题 。下面介绍几种调试方法。
关键字:
MCS 51 应用系统
调试
加电复位电路
南京2022年12月16日 /美通社/ -- 近日,南瑞集团参建的全国首台(套)单机650MW水电机组全国产调速器、励磁系统在华能糯扎渡水电站#1机组成功投运,为我国水电站核心技术国产化替代提供了“示范样板”。 南瑞集...
关键字:
控制系统
电站
调速器
调试
提供以客户为中心的技术解决方案和服务,助力华北地区生命科学和生物制药行业加速医学发现、简化药物生产 赛多利斯在中国的本地化战略迎来重要里程碑 山东烟台2022年11月1日 /美通社/ -- 生命科学集团赛...
关键字:
生物技术
仪器
蛋白质
调试
做硬件需要加班吗?有的小伙伴说不加班,到点就走,要加班得提申请,走流程非常麻烦;有的小伙伴说要加班,加到凌晨是常有的事。
关键字:
硬件
调试
装配
研发产品难吗?对于刚刚接触射频硬件设计的我来说非常难,设计和调试、维修不同,调试是在老带新的基础上,按照图纸甚至图纸都不要就可以按照SOP流程得到性能高的产品;维修的话,看懂原理图是必须的,但是你并不需要知道具体的设计参...
关键字:
射频工程师
设计
调试
摘要:针对某公司供热改造工程中,新建背压机组在调试及试运行过程中暴露出的问题进行了梳理分析,并采取了有针对性的应对策略,最终实现了该机组的灵活启停和稳定运行,满足了生产需求。
关键字:
振动
动平衡
调试
福建莆田2022年9月1日 /美通社/ -- 8月30日,武大靖携手央视网共同走进三棵树醉美园区,与央视网主持人常婷、黄鹤,一起开启“寻绿之旅”,从绿色理念、绿色园区、绿色产品、绿色生产、绿色服务,看三棵树用绿色涂料涂刷...
关键字:
智能化
工程师
调试
研发中心
摘要:从厂站端自动化检修人员的角度阐述了500kV变电站加装智能远动机工程的主要内容,包括了智能远动机的基本性能、工程实施具体步骤以及调试工作中的注意事项。
关键字:
智能远动机
业务
调试
摘要:结合影响电气设备安装和调试的因素,对电力系统电气设备的安装与调试技术进行了分析,以期提高电气设备的运行效率。
关键字:
电气设备
安装
调试
摘要:对地铁隧道TVF、TEF风机安装与调试过程中的细节问题进行了探讨,主要从风机安装、风机调试准备、风机试运转、监测运转数据等方面展开了分析,确保风机能够一次试机成功。
关键字:
安装
调试
前置条件
助力全球工业向数字化与可持续迈进
德国汉诺威2022年5月31日 /美通社/ -- 5月31日,2022汉诺威工业博览会开幕,美的工...
关键字:
美的
CD
机器人
调试
摘要:电气仪表的安装与调试作为机电工程中的核心技术环节,对保证机电工程整体质量起到关键作用。现通过分析影响电气仪表安装质量的主要因素,探讨了机电工程中电气仪表安装与调试的流程及技术要点,并指出了提升电气仪表调试质量的有效...
关键字:
机电工程
电气仪表
调试
关注、星标公众号,直达精彩内容来源:安富莱电子论坛:www.armbbs.cn最近因为项目选型需要,开始用了stm32H750vbt6这款MCU,我一直提倡工欲善其事,必先利其器,尤其是在嵌入式开发中,所以看到armfl...
关键字:
调试
关注、星标公众号,直达精彩内容来源:技术让梦想更伟大整理:李肖遥一、JTAG协议JTAG(JointTestActionGroup,联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE1149.1兼容),主要用于芯片内部测...
关键字:
ST
调试
接口
最近在调试AndroidNative层的内存泄漏问题,整理了一些笔记,分享一下如何查看内存信息?在代码中打印,开启一个线程,间隔固定时间打印出当前内存信息【有好多种获取内存信息的API,这里只列出其中一种方式,亲测有效】...
关键字:
Android
内存
调试
关注、星标公众号,直达精彩内容来源:安富莱电子论坛:www.armbbs.cn最近因为项目选型需要,开始用了stm32H750vbt6这款MCU,我一直提倡工欲善其事,必先利其器,尤其是在嵌入式开发中,所以看到armfl...
关键字:
调试
这两天看文的人比较少,先来分享一篇非常简单的关于虚拟串口软件的使用的小短文。在编写串口上位机时,需要进行调试。一种方式是与下位机进行通信进行测试;另一种方式是借助虚拟串口软件来进行测试。虚拟串口软件使用演示虚拟串口软件是...
关键字:
上位机
软件
调试